EÖTVÖS LABOR EÖTVÖS JÓZSEF GIMNÁZIUM TATA FELADATLAPOK FIZIKA. 10. évfolyam Tanári segédanyag. Szemes Péter

Átírás

1 FELADATLAPOK FIZIKA 10. évfolyam Tanári segédanyag Szemes Péter

2 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 1. A FOLYÉKONY HALMAZÁLLAPOT fizika /5! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! Figyelj oda a mikroszkóp használata közben, hogy a tárgylemezt ne nyomd nagyon a lencséhez, mert kárt teszel benne! A borszeszégő használatakor különös figyelemmel járj el, ne lökd meg az asztalt, ne borítsd fel a borszeszégőt! Vigyázz! A vasháromláb, a főzőpohár, a fémháló és a kémcső is forró marad, miután elzártad a borszeszégőt! i HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA A mikroszkóp használata során a tárgylemezre cseppentet folyadékot le kell takarni egy fedőlemezzel, hogy a zsírcseppek szétlapuljanak, egyéb esetben nagyobb nagyításnál nem láthatóak. Az óra során előkerülő fizikai jelenségek: Brown-mozgás, víz sűrűségének hőmérsékletfüggése, víz forráspontjának nyomásfüggése. * T PEDAGÓGIAI CÉL Megismertetni a tanulókat a mérés során használt eszközökkel. Megismertetni és megtapasztaltatni velük a víz néhány tulajdonságát. A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Az anyag részecske-felépítése. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK mikroszkóp vasháromláb borszeszégő fémháló főzőpohár hőmérő kivetítő CE ESV adatbegyűjtő sűrűségmérő szenzor lezárható kémcső kémcsőfogó víz, tej, olaj, benzin 1. KÍSÉRLET: BROWN-MOZGÁS MEGFIGYELÉSE a) Figyeld meg mikroszkóppal a vízben a kis olajcseppek mozgását! Írd le a tapasztaltakat! Csatlakoztassunk egy mikroszkópot kivetítőhöz! A diákok figyeljék meg a jelenséget saját mikroszkópjaikkal, de követhessék nyomon a kivetítőn is! Tapasztalatok: Az olajcseppek a víz felszínén állandó, rendezetlen mozgást végeznek. b) Ismételd meg a kísérletet más anyagokkal is! Tej híg vizes oldatában a zsírcseppek mozgását, vagy vízre csepegtetett benzin mozgását is megfigyelhetjük.

3 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: VÍZ HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSA a) Tegyél főzőpohárba hideg vizet, és tegyél bele annyi jeget, amennyi már nem tud elolvadni benne! Mérd meg a jeges víz hőmérsékletét! T = 0 C b) Tedd a főzőpoharat vasháromlábra, és tedd alá a borszeszégőt. Melegítsd a vizet! Kevergesd közben a hőmérővel, és bizonyos időközönként mérd meg a víz hőmérsékletét! A Kísérleti összeállítást a következő kép mutatja: Fotó: Mike Ariel A kísérlet összeállításánál ügyelni kell rá, hogy az adatbegyűjtőhöz tartozó hőmérő szenzor vezetéke ne érjen a forró részekhez, nehogy kárt tegyünk a berendezésben. Ahhoz, hogy ne legyen túl nagy a hőveszteség, a következőkre oda kell figyelni: - ne legyen huzat a teremben, mert akkor a borszeszégő lángja nem tud megfelelő hatásfokkal melegíteni - ne legyen túl alacsonyan a borszeszégő (a képen is látszik, hogy alá kellett tennünk egy dobozt, e nélkül fel sem tudta forralni a vizet a borszeszégő) - ne legyen túl nagy felületű a főzőpohár teteje (a mérési eredményből is látszik majd, hogy közeledve a forrásponthoz nagy a párolgásból és az első néhány távozó gőzbuborékból adódó hőveszteség) Jegyezd fel a mért adatokat! t (min.) T ( C) t (min.) T ( C) Ha lehet, mérjük forrásig a hőmérsékletet, és a forráspont után is néhány percig!

4 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: VÍZ HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSA (folytatás) c) Írd le tapasztalataidat! Rajzoltasd ki a szenzorral a grafikont! Egy sűrűségmérő szenzort kapcsoljunk a kivetítőhöz, és rajzoltassuk mi magunk is ki a grafikont! A szenzor érzékenységétől függően láthatjuk, hogy a sűrűség 4 C-ig nő, azután pedig csökken a hőmérséklet emelkedésével. d) Írd le, mit tapasztaltál a jeges és a forrásban lévő víz esetén! A jeges víz hőmérséklete 0 C mindaddig, amíg az összes jég el nem olvad, a forrásban lévő vízé pedig 100 C. e) Rajzold fel a mért adatok alapján a kísérlethez tartozó hőmérséklet-idő grafikont! A gép által készített grafikon: Fotó: Mike Ariel Látszik, hogy a melegítés középső szakasza teljesen egyenletes, de nyolcvan C után lassulni kezdett a melegedés üteme. Ennek oka a fent is részletezett növekvő hőveszteség. A grafikonnak három, jól elkülöníthető szakaszból kell állnia. Az első és utolsó szakasz vízszintes egyenes, még a középső szakasz pontjai jó közelítéssel egy egyenesre kell, hogy essenek. A kísérlet elég hosszadalmas, közben felhívhatjuk a diákok figyelmét rá, hogy a meleg vízben áramlatokat figyelhetnek meg, illetve megfigyelhetik a buborékképződést már a forrás előtt is:

5 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: VÍZ HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSA (folytatás) 3. KÍSÉRLET: FORRÁSPONT NYOMÁSFÜGGÉSE a) Tölts meg egy lezárható kémcsövet körülbelül háromnegyedéig vízzel! Fotó: Mike Ariel b) Fogd a még lezáratlan kémcsövet a kémcsőfogóba, és borszeszégő felett melegítsd addig a vizet, még el nem kezd forrni. Vedd le a kémcsövet a tűzről, várd meg, még a víz forrása eláll, és óvatosan, hogy meg ne égesd magad, zárd le a kémcső száját! Végül tartsd a kémcsövet hideg víz alá, és figyeld meg, mi történik! Tapasztalat: A víz újra forrni kezd, egy ideig forr, majd eláll a forrása. Magyarázat: Amikor melegítjük a vizet, és az felforr, a felszálló vízgőz kiszorítja a kémcsőből a levegőt. Lezárva, és lehűtve a kémcsövet, a vízgőz lecsapódik, a nyomás csökken, kisebb nyomáson pedig a víz alacsonyabb hőmérsékleten is forr. A folyamatos hűtés következtében a víz is folyamatosan hűl, végül már az alacsonyabb nyomáson sem forr. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Tudtad? Öveges József kedvenc kísérletei voltak, melyek bemutatták, láthatóvá tették, hogy az anyag apró részecskéi állandó mozgásban vannak. Ha megkérdeznék tőlem, hogy melyik a fizika legmeglepőbb, leglátványosabb és talán a legfontosabb kísérlete, azt felelném: az anyag örökös mozgását bizonyító kísérlet. Öveges József: Kísérletek könyve Anno I.M.D. 2. Keress az interneten Brown-mozgást szimuláló kísérletet, szimulációt! A wikipédián egy elég jó szimuláció van, a youtube-on pedig több kísérlet, de, ha a diákokra bízzuk, lehet, sokkal jobbakat is találnak! 3. Tudtad? A vízcseppek nem feltétlenül fagynak meg 0 C-on. Nézz utána, mit jelentenek a következő kifejezések: túlhűlt vízcsepp, ónos eső! A levegőben lévő vízcseppek nem fagynak meg feltétlenül 0 C alatt. Ha nincs szennyeződés (pl. porszem) a levegőben, akkor nincs mire kicsapódjanak, így előfordulhat, hogy fagypont alatti vízcseppek keletkeznek. Ezek a földre érve azonnal megfagynak, ráfagynak szinte bármire, ezt hívjuk ónos esőnek.

6 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK (folytatás) 4. Egy hegymászó a hegy tetején szeretne vizet forralni. Forrásban lévő vizének hőmérséklete nagyobb, mint 100 C, vagy kisebb? Kisebb, hiszen a hegy tetején a légnyomás kisebb, mint tengerszinten, így a víz 100 foknál alacsonyabb hőmérsékleten is forrni fog. 5. Miért használnak kuktát a háziasszonyok, mikor húst szeretnének főzni? A kukta lezárt fedele alatt kialakuló túlnyomáson a víz magasabb hőmérsékleten kezdcsak forrni, így több, mint 100 C-on fő a hús, hamarabb megpuhul. ALTERNATÍV SZEMLÉLTETÉSI MÓDOK, EZEKRE UTALÓ FORRÁSMEGJELÖLÉSEK 1. Ha el tudjuk sötétíteni úgy a termet, hogy vékony résen át érkezzen a fény, akkor a betűző fénysugárban megfigyelhetjük a porszemcsék mozgását. 2. Lökdösődő molekulák - alumínium szemcsék táncolnak a vízben Öveges József: Kísérletek könyve ;Anno I.M.D. Az Öveges professzor által leírt kísérlet lényege: kevés, ezüst színű gombfestéket oldunk fel átlátszó üvegpohárban, majd közvetlenül a napsugarak útjába tesszük. Ahogy a festékben lévő alumíniumdarabkák apró tükrökként felvillannak, látványos bizonyítékát nyerhetjük a molekulák hőmozgásának.

7 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 2. HŐTÁGULÁS fizika /5! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! A gömblombik nagyon törékeny! Ügyelj rá, hogy használata során ne koccintsd oda semminek! Az etilalkohol, sőt még a gőze is nagyon gyúlékony! Semmi esetre se gyújts tüzet, miközben az etilalkohollal dolgozol! i HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA A víz sűrűsége 4 C-on a legnagyobb, így 0 C és 4 C között nem érvényes rá a folyadékok hőtágulására vonatkozó tétel! * PEDAGÓGIAI CÉL A kísérletek célja, hogy közvetett úton bizonyítsuk a szilárd anyagok és folyadékok molekuláris hőelméletét, és az azon belül érvényes hőtágulásról szóló tételt. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS A tanulóknak tisztában kell lenni az anyag molekuláris szerkezetével, valamint a hőmozgás jelentésével. Tudniuk kell, hogy hőmérsékletemelkedéskor az anyagot alkotó részecskék mozgásának sebessége nő.ezen kívül tisztában kell lenniük a szilárd anyagok lineáris és térfogati hőtágulásának jelentésével, tudniuk kell az erre vonatkozó összefüggést. SZÜKSÉGES ANYAGOK befőttesgumi víz (hideg és meleg is) etilalkohol gyufa/öngyújtó SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK bimetál szalag dugaszoló tábla izzó telep átfúrt gumidugó üvegcső (ami a gumidugóba illeszkedik) gömblombik üvegedény (melybe belefér a gömblombik) (vízforraló) 1. KÍSÉRLET: HŐKAPCSOLÓ MŰKÖDÉSI ELVE a) Fogd be a bimetálszalagot a dugaszolótáblába! A szalag másik végénél lévő csavart állítsd be úgy, hogy ne érjen a bimetál szalaghoz! Csavard be az izzót! Mutasd meg az összeállítást tanárodnak! b) Az alábbi képen láthatod a kísérleti összeállítás vázlatos rajzát!

8 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 1. KÍSÉRLET: HŐKAPCSOLÓ MŰKÖDÉSI ELVE (folytatás) A kísérleti összeállítás: Fotó: Mike Ariel c) Fogalmazd meg saját szavaiddal, mi a bimetál szalag! Pl.: Két különböző anyagú, de pontosan egyforma méretű fémszalag egymáshoz rögzítve. d) Melegítsd a bimetál szalagot! Figyeld meg, mi történik, majd jegyezd le a tapasztaltakat! Tapasztalat: Már elég kis hő hatására meghajlik a bimetál szalag. Ha jól illesztettük a helyére, akkor zárja az áramkört, az izzó világítani kezd. e) Írd le a szilárd anyagokra vonatkozó, lineáris hőtágulás egyenletét! Δl = l 0 * α * ΔT vagy l = l 0 * (1 + α * ΔT) f) Magyarázd meg a jelenséget a hőtágulásról szerzett ismereteid segítségével! A különböző fémek melegítés hatására különböző mértékben tágulnak, nyúlnak meg. Az az anyag, amelyiknek nagyobb a hőtágulási együtthatója, ugyanakkora hőmérsékletváltozás esetén nagyobb hosszváltozást mutat, így a szalag meghajlik. 2. KÍSÉRLET: FOLYADÉKOK HŐTÁGULÁSA I. a) Töltsd tele az üveglombikot hideg vízzel, majd dugaszold be a gumidugóval, aminek furatába előzőleg belehelyezted a vékony üvegcsövet! A vízhez keverhetünk esetleg jeget is, így megfigyelhetjük, hogy 0 C és 4 C között a víz térfogata csökken. Ha azonban jól kifolyatjuk a vizet, és nem használunk jeget, akkor a következő kísérletben az etilalkohol hőmérsékletváltozása közel azonos lesz a víz hőmérsékletváltozásával, így megfigyelhetjük, melyik tágul jobban.

9 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: FOLYADÉKOK HŐTÁGULÁSA I. (folytatás) Vigyázni kell, amikor az üvegcsövet a gumidugóba nyomjuk, az üvegcső könnyen eltörik. Nem kell teljesen a dugóba nyomni az üvegcsövet, illetve ügyelni kell rá, hogy nyíróirányba ne kapjon feszültséget. Talán érdemes a diákok tálcáit már úgy összekészíteni, hogy az üvegcső a gumidugóban legyen. b) Rajzold le vázlatosan a kísérleti összeállítást! A kísérleti összeállítás valódi képe, és a rajz: Fotó: Mike Ariel c) Jelöld befőttes gumival a folyadék szintjét! Helyezd a gömblombikot meleg vízzel teli edénybe és figyeld meg jól, mi történik! Ügyelj rá, hogy a víz nyakig belepje a lombikot! Írd le a tapasztaltakat!

10 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: FOLYADÉKOK HŐTÁGULÁSA I. (folytatás) Tapasztalat: A folyadékszint először egy igen rövid ideig süllyed, majd növekedni kezd. Fotó: Mike Ariel d) Mikor a vízszint már nem emelkedik, jelöld meg egy másik befőttes gumival a szintjét! e) Magyarázd meg a molekuláris hőelmélet segítségével, hogy miért emelkedik a vízszint! A folyadékban lévő molekulák egyre gyorsabban mozognak, így egyre távolabb lökdösik egymást. Ez nagyon sok molekula estén már szemmel látható változást jelent. f) Magyarázd meg, miért süllyed először a víz szintje! Melegítés során először az üveglombik kezdett melegedni. Ennek hatására az üveglombik is kitágult, ezért süllyedt először a vízszint. 3. KÍSÉRLET: FOLYADÉKOK HŐTÁGULÁSA II. a) Végezd el az előző kísérletet etilalkohollal is! b) Tölts az üveglombikba etilalkoholt és zárd le a gumidugóval! Folyass a lombikra a csapból hideg vizet. Ha kellően lehűlt az etilalkohol, jelöld ismét befőttesgumival a folyadék szintjét. Töltsd meg az üvegedényt meleg vízzel, majd helyezd a lombikot a meleg vízbe! c) Mit gondolsz, a tapasztaltak alapján, a víz, vagy az etilalkohol hőtágulása nagyobb? Az etilalkoholé jóval nagyobb. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1) Írj példát a mindennapi életből! Hol használnak hőkapcsolót? Pl.: Vasaló, hűtőventillátor, keringtető szivattyú. 2) A szilárd anyagok, vagy a folyékony anyagok hőtágulása nagyobb? Válaszodat indokold a második kísérletben szerzett tapasztalataiddal is! A folyékony anyagok hőtágulása lényegesen nagyobb, mint a szilárd anyagoké. A második és harmadik kísérlet is bizonyság erre, hiszen ha az üveglombik hőtágulása nagyobb lenne a vízénél vagy az etilalkoholénál, akkor a folyadékszint nem emelkedne. 3) Nézz utána mennyi a víz és az etilalkohol térfogati hőtágulási együtthatója! β víz = 0,21 * 10-3 * 1/K; β etilalkohol = 1,1 * 10-3 * 1/K;

11 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK (folytatás) 4. Nézz utána, mit jelent a dilatációs rés, és hol alkalmazzák! Nagy építmények esetén (hidak, sín, lakóházak, stb.) a fémszerkezet lineáris hőtágulása nem elhanyagolható. Két elem között rést hagynak, hogy az anyag tágulása során, ezt a rést tudja kitölteni, nem görbüljön, törjön a fém. 5. Miért olyan elterjedt az építészetben a vasbeton? Mert a vas és a beton térfogati hőtágulási együtthatója elég nagy pontossággal megegyezik. 6. Mit gondolsz a második és harmadik kísérlet alapján, minden folyadék hőtágulása azonos? Anyagi minőségtől is függ. Érdekesség, hogy néhány anyagnak bizonyos hőmérsékleten lehet negatív a hőtágulási együtthatója. Ilyen például a víz 0 C és 4 C között ALTERNATÍV SZEMLÉLTETÉSI MÓDOK, EZEKRE UTALÓ FORRÁSMEGJELÖLÉSEK 1. Ha a hideg és meleg víz hőmérséklete között nincs nagy különbség, forralhatunk vizet, és tölthetjük azt az üvegedénybe. Ekkor látványosabb lesz a folyadékszint emelkedése. 2. Ha van rá lehetőségünk, régi vasalót is vihetünk szemléltetőeszköznek. Ez, ha szétszedjük, az első kísérlethez hasonló hőkapcsolót találhatunk benne. 3. Szemléltethetjük a hőtágulást úgy is, hogy a lombikot borszeszégővel melegítjük, és figyeljük a folyadékszint emelkedését. VIGYÁZAT! Az etilalkohol fokozottan gyúlékony, nagyon figyeljünk, hogy a melegítés hatására ne fusson ki a csőből!

12 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 3. A GÁZ HALMAZÁLLAPOT fizika /4! i BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Arkhimédész törvénye: Minden folyadékba, vagy gázba merülő testre felhajtóerő hat, mely megegyezik a test által kiszorított folyadék, vagy gáz súlyával: F=ρ g V, (ahol ρ a közeg sűrűsége, V a test térfogata) Harmatpont: A levegőnek az a hőmérséklete, amikor a benne lévő vízgőzre nézve telítetté válik. Ez a hőmérséklet tehát a levegőben lévő vízgőz mennyiségétől függ, de ezen kívül függ még a légnyomástól is. * PEDAGÓGIAI CÉL Hétköznapi jelenségek megfigyelése, melyek magyarázatán a mindennapokban általában átsiklunk. A levegő, mint anyag, felfedezése. A láthatatlan ésszinte érzékelhetetlen, ám a mindennapi élethez feltétlenül szükséges gázelegy néhány tulajdonságának kimutatása. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS A víz halmazállapotai, elsősorban a gőz halmazállapot. Arkhimédész törvénye folyadékokban. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK mérőszalag üvegedény hőmérő üvegbúra légszivattyú mérleg, testek víz jég 1. KÍSÉRLET: A LEVEGŐ TÖMEGE a) A kísérlet elvégzése előtt próbáljuk megtippelni, mekkora lehet a teremben lévő levegő tömege! m =... kg Mérjük le mérőszalaggal a terem szélességét, hosszát, magasságát! x =... m y =... m z =... m Ha nincs megfelelő mérőszalag, amivel a plafonig fel tudnánk érni, akkor egy vonalzó, papírvonalzó, stb. is megfelel. Keresni kell például egy partvisnyelet, amivel elérjük a plafont, és ez után ennek a hosszát kell lemérni. Számoljuk ki a terem térfogatát! V= x * y * z V =... m 3

13 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1. KÍSÉRLET: A LEVEGŐ TÖMEGE (folytatás) Számoljuk ki a teremben lévő levegő tömegét! (A levegő sűrűségét nézzétek meg a négyjegyű függvénytáblázatban!) A függvénytáblázat szerint a száraz levegő sűrűsége (kb Pa nyomáson és 20 C-on): ρ lev. = 1,205 kg/m 3 Ebből a sűrűség definícióját felhasználva: ρ = m/v m = ρ * V Tehát: m =... kg 2. KÍSÉRLET: LEVEGŐ NEDVESSÉGTARTALMA A következő, akár házilag is elvégezhető egyszerű kísérlettel meghatározzuk, hány gramm víz van a levegőben. a) A kísérlethez tölts üvegpohárba langyos vizet, és tegyél bele egy hőmérőt! Végül szórj bele apróra tört jeget! Rajzold le a kísérleti összeállítást! b) Kevergesd a hőmérővel a jeges vizet! A víz elkezd lehűlni. Kevergetésre azért van szükség, hogy egyenletes hőmérsékletet biztosítsuk a pohárban. Figyeld a pohár oldalát, időnként húzd végig rajta az ujjad, hogy vedd észre, milyen hőmérsékleten kezd párásodni a pohár! Jegyezd fel a párásodás kezdetéhez tartozó hőmérsékletet! T =... C Fotó: Mike Ariel

14 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: LEVEGŐ NEDVESSÉGTARTALMA (folytatás) c) Magyarázd meg, miért párásodik a pohár oldala! A hűlő víz lehűti a poharat, az pedig lehűti a körülötte lévő levegőt. Egy bizonyos ponton a hőmérséklet eléri a levegő harmatpontját,a levegő nedvességtartalma maximális. Ez alatt a hőmérséklet alatt a levegőből kicsapódik a víz, ez jelenik meg a pohár oldalán. d) Az alábbi táblázat segítségével határozd meg, hány gramm vízgőz van egy m3 levegőben! Telített levegő vízgőztartalma C g/m3 C g/m3 7 7, , , , , , , , , , , , , ,2900 Vízgőz egy köbméter levegőben: m =... g e) A terem térfogatának ismeretében számoljuk ki, hány gramm víz van a levegőben! m = m * V =... g/m 3 * V =... g víz van a terem levegőjében. 3. KÍSÉRLET: ARKHIMÉDÉSZ TÖRVÉNYE GÁZOKBAN a) Figyeld meg, mi történik, ha egy mérleg két oldalára nagyon eltérő térfogatú testeket akasztunk úgy, hogy a mérleg egyensúlyban legyen, majd az egész rendszert üvegbúra alá tesszük, és kiszivattyúzzuk a levegőt! b) Rajzold le a kísérleti összeállítást! Írd le a tapasztaltakat!

15 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 3. KÍSÉRLET: ARKHIMÉDÉSZ TÖRVÉNYE GÁZOKBAN (folytatás) Tapasztalat: A nagyobb térfogatú tárgy felé elbillen a mérleg. Magyarázat: A gázokban is hat felhajtóerő. Minél nagyobb egy test térfogata, annál nagyobb, így, mikor vákuumot hoztunk létre, és megszűnt a felhajtóerő, az a test felé billent a mérleg, amelyikre eredetileg nagyobb felhajtóerő hatott. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Nézz utána, milyen gázokból áll a levegő! Nitrogén, oxigén, argon, szén-dioxid, vízgőz, ózon, hélium, neon, kripton, xenon, radon, szénhidrogének. 2. Magyarázd meg, a hőlégballonok miért ilyen hatalmasak! A hőlégballonok felső része minél nagyobb, annál több levegőt képesek kiszorítani, tehát annál jobban érvényesül arkhimédész törvénye. Ahhoz, hogy felemelkedjen, természetesen az is kell, hogy a ballonban lévő gáz sűrűsége kisebb legyen, mint a körülötte lévő levegőé. 3. Hogyan érik el a hőlégballonoknál, hogy a ballonban lévő gáz sűrűsége csökkenjen? Melegítik a benne lévő levegőt. A levegő tágulását a ballon nem követi, a felesleges levegő a ballon alján távozik. 4. Mi történne a hőlégballonnal, ha óriási vákuumbúra alá tennénk? Lezuhanna, ugyanúgy, ahogyan a nagyobbik test felé elbillent a mérleg. 5. Bármilyen magasra felszállhatunk a hőlégballonnal? Nem, hiszen a magassággal csökken a légnyomás, egyre ritkább a levegő. 6. Nézz utána, kinek a nevéhez fűződik a magdeburgi féltekék néven elhíresült kísérlet! Magyarázd el, miért nehéz szétválasztani a félgömböket! Egy kísérlet, amelyet 1654-ben Magdeburg város főterén Otto von Guericke ( ) német fizikus - mellesleg Magdeburg város polgármestere végzett el. Az eszköz, amelylyel Guericke kísérletezett magdeburgi féltekék néven került be a fizika történetébe. Az eredeti magdeburgi féltekék olyan 42 cm átmérőjű üres félgömbök voltak, amelyek karimájukkal pontosan egymásra illeszkedtek, így ekkor egy teljes gömböt képeztek. Ha ebből a gömbből Guericke - a saját maga készítette légszivattyúval- eltávolította a levegőt, akkor a külső nyomás úgy összepréselte a két félgömböt, hogy a két félgömbhöz kötött 8-8 ló sem tudta a féltekéket széthúzni. forrás:

16 ajánlott korosztály: 10. évfolyam! 4. A BOYLE-MARIOTTE-TÖRVÉNY fizika-10- BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! 04 1/4 * T PEDAGÓGIAI CÉL A kísérletek összetettek, több tanuló együttes munkája kell, hogy el tudják végezni. A csapatmunkán kívül tapasztalati úton bizonyítást nyer Boyle-Mariotte törvénye, és annak egy felhasználásával is megismerkedhetnek a tanulók. A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS A tanulóknak ismerniük kell a molekuláris gázelméletet, Boyle-Mariotte törvényét, továbbá képesek kell legyenek, első fokú egyenletrendszerek megoldására. SZÜKSÉGES ANYAGOK 2 db orvosi fecskendő vékony műanyagcső vonalzó vagy mérőszalag küvetta SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK átfúrt gumidugó rugós erőmérő CE ESV adatbegyűjtő nyomásszenzor 1. KÍSÉRLET: NYOMÁS NÖVEKEDÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSA a) Mérd le az előtted lévő eszközök segítségével a gumicső belső térfogatát és hosszát! Pl.: A fecskendőbe 12 ml vizet szívunk, és azt a gumicsőbe fecskendezzük. A térfogat körülbelül: V = 12 ml l =... cm b) Fecskendezz a műanyagcsőbe 2 ml vizet, és hajtsd félbe a csövet, két nyitott végével felfelé, hogy a víz éppen a közepébe folyjék! Ügyelni kell rá, hogy a víz egy oszlopban maradjon, ne szakadjon több részre! Ha ez megtörténik, a műanyagcsövet kicsit megrázva újra egyesülnek a részek. c) Az egyik fecskendőbe szívj fel 2,5 ml, a másikba 5 ml levegőt, és dugd a fecskendők végeit a műanyagcső két végébe! d) Rajzold le a kísérleti összeállítást!

17 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1. KÍSÉRLET: NYOMÁS NÖVEKEDÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSA (folytatás) e) Mennyi levegő van most a víz egyik, illetve másik oldalán? Ha a 2 ml víz éppen középen van, akkor a csőben, mind a két oldalán 5 ml levegő van, ehhez adódik még a fecskendőkben lévő levegő. V 1 = 5 ml + 2,5 ml = 7,5 ml V 2 = 5 ml + 5 ml = 10 ml f) Nyomd össze a két fecskendőt és mérd meg, mennyivel mozdul el a benne lévő víz! A kísérleti összeállítás, és a folyadék elmozdulása: Fotó: Mike Ariel Δx = cm g) Miért és milyen irányba mozdult el a víz? A rendszerben összenyomás előtt egyenlőek a nyomások, de a térfogatok különbözőek. Az összenyomás során az egyik oldalon (ahol nagyobb volt a térfogat) nyomástöbblet alakul ki. Mivel a víz könnyen elmozdul a gumicsőben, ez a nyomástöbblet arrébb tolja a vizet. A víz abba az irányba mozdul el, ahol eredetileg a kisebb térfogatú levegő volt, tehát ahol a fecskendőben 2,5 ml levegő volt. h) Határozd mega vízcsepp két oldalán az új térfogatot! Lemértük az elején a gumicső hosszát. Az egész cső 12 ml belső térfogattal rendelkezik, így egy centiméter hosszúsághoz (12 ml / l cm) 1 cm térfogat tartozik. Ezt megszorozva a vízcsepp centiméterben mért elmozdulásával, megkapjuk a csőben bekövetkező térfogatváltozást: ΔV=(12 ml / l cm) Δx i) Határozd meg a műanyagcsőben lévő nyomást, miután a két fecskendőt összenyomtad Az eredeti nyomás éppen a légnyomással egyenlő. P 1 = 105 Pa; P 2 = 105 Pa V 1 = 7,5 ml; V 2 = 10 ml V 1 = 5 ml - ΔV; V 2 = 5 ml + ΔV Boyle-Mariotte-törvény: P 1 / V 1 = P 1 / V 1 Tehát az új nyomás: P 1 = (P 1 * V 1 ) / V 1 =... Pa

18 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: TÉRFOGAT MÉRÉSE a) Állítsd össze a képen látható kísérleti összeállítást! Ügyelj rá, hogy a fecskendő teljesen legyen benyomva! b) Húzd ki, majd engedd el a fecskendőt! Írd le a tapasztaltakat! Tapasztalat: A fecskendő kihúzásához erőt kell kifejteni, amint elengedjük a fecskendőt, annak dugattyúszerű része körülbelül visszaáll eredeti állapotába. c) Magyarázd meg a jelenséget! Ahogy húzzuk ki lassan a fecskendőt, a gáz térfogata izoterm módon nő, így tehát nyomása csökken. A külső nyomás nagyobb, a fecskendő dugattyúszerű része könnyen mozdul, így a kisebb nyomás felé igyekezne elmozdulni. Ezt a többletnyomást kell kiegyenlítenünk. Amint elengedjük, visszatér körülbelül eredeti állapotába. d) Mérd meg rugós erőmérő segítségével, hogy mekkora erő kell, hogy a gáz térfogatát megnöveld 10 ml-rel! F =... N Fotó: Mike Ariel Mérd meg a fecskendő dugattyújának átmérőjét, számold ki belőle annak területét (felszínét)! r =... cm; A = r 2 π =... cm 2 e) Számold ki, mennyivel csökkent a gáz nyomása! A nyomás definíciója szerint: P = F / A Ebből a nyomás megváltozása ΔP =... Pa Tudjuk, hogy eredetileg a nyomás éppen a légköri nyomással volt egyenlő, tehát: P 1 = 105 Pa Ebből a csökkentett nyomás értéke könnyen számítható: P 2 = P 1 ΔP =... Pa

19 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: TÉRFOGAT MÉRÉSE (folytatás) f) A mért és számolt adatok segítségével határozd meg a gáz eredeti térfogatát! Se a kezdeti térfogatot, se a végállapot térfogatát nem tudjuk. Tudjuk azonban ezek különbségét: V 2 V 1 = 10 ml Ki tudjuk továbbá számolni a nyomások arányát: P 2 / P 1 = (P 1 - ΔP) / P 1 =... =... Pa Boyle-Mariotte-törvény szerint: P 1 / V 1 = P 2 / V 2 P 2 / P 1 = V 2 / V 1 Tehát a térfogatok aránya és különbsége is ismert. Kaptunk egy két változós, elsőfokú egyenletrendszert a térfogatokra. Ennek megoldása adja a keresett térfogatot. 3. KÍSÉRLET: IZOTERMÁK FELVÉTELE NYOMÁSÉRZÉKELŐ SEGÍTSÉGÉVEL a) Csatlakoztasd a CE ESV adatbegyűjtőhöz a nyomásérzékelőt, és vegyél fel vele izotermákat! b) Az első kísérlethez hasonlóan a gumicsövet dugd az egyik fecskendőre, másik végére pedig tedd az adatbegyűjtőt. Egyenletesen nyomd be a fecskendőt. Az adatokból rajzoltasd ki a térfogat, nyomás grafikont! Fotó: Mike Ariel Igazság szerint a műszer nem a térfogat függvényében méri a nyomást, hanem az idő függvényében. De a grafikonon látszik, hogy egy kis odafigyeléssel nagyon jó közelítéssel egyenletesen is képesek vagyunk összenyomni a fecskendőt, ekkor pedig az időváltozás egyenesen arányos a térfogatváltozással, így a térfogat-nyomás grafikon képe is ilyen lesz. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Miért nem foglalkoztunk azzal, hogy a nyomáskülönbség a vízre is hat, megváltoztatva annak térfogatát? Mert a folyadékok szinte összenyomhatatlanok, azok térfogatváltozása a gázokéhoz képest elhanyagolható. 2. A második kísérletnél, mikor a fecskendőt elengedjük, az miért nem tér vissza teljesen eredeti állapotába? Azért nem tér vissza teljesen eredeti állapotába, mert a nyomáskülönbségekből fellépő erő mellett még a súrlódásból származó erő is szerepet játszik a folyamatban. A mozgáshoz a nagyobb nyomásnak ezt az utóbbi erőt is le kell győznie.

20 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 5. GAY-LUSSAC I. TÖRVÉNYE fizika /3! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! Az üvegtárgyak használatánál fokozottan ügyelj rá, hogy ne üsd oda semminek ezeket a tárgyakat. Amellett, hogy tönkreteszed a labor felszerelését, meg is vághatod magad az üvegszilánkokkal! i * T HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA A részletezett kísérletek elsősorban a tapasztalatszerzést, és a tanulói tudás mélyítését szolgálják. Precíz számításra nem alkalmasak. PEDAGÓGIAI CÉL Tapasztalatszerzés ideálisnak tekinthető gáz állapotváltozásáról állandó nyomás mellett. Gay-Lussac I. törvényének elmélyítése. A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Gay-Lussac I. törvényét ismerniük kell a tanulóknak. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK gömblombik átfúrt gumidugó műanyagcső üvegkád hőmérő jég víz alkohol csepegtető vonalzó 1.KÍSÉRLET: GÁZHŐMÉRŐ a) Fecskendezz a műanyagcsőbe egy kevés vizet! Dugaszold be az üveglombik száját a gumidugóval, melynek furatába előzőleg beleillesztetted a flexibilis műanyagcsövet! Állítsd be úgy a rendszert, hogy a műanyagcső nagyjából vízszintes legyen! Rajzold le a kísérleti összeállítást! b) Miért kell a műanyagcsőnek közel vízszintesnek lennie? Azért, hogy a vízcsepp súlyából származó nyomást kiküszöböljük. c) Vedd a kezedbe az üveglombikot, és tartsd tenyereid között! Figyeld meg, mi történik! Tapasztalat: A vízcsepp kifelé mozdul, távolodik a lombik aljától. Magyarázat: Kezünkben tartva a lombikot, az melegedni kezd, felmelegíti a benne lévő levegőt, ami így tágulni kezd.

21 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /3 1.KÍSÉRLET: GÁZHŐMÉRŐ (folytatás) d) Csepegtess egy csepp alkoholt az üveglombik falára, figyeld meg, mi történik! Tapasztalat: A vízcsepp elmozdulaz előzővel ellentétes irányba. Magyarázat: A lombikra cseppentve az alkoholt, az hamar elpárolog, hőt vonva el környezetétől. A lombik, így a benne lévő levegő is lehűl, a gáz térfogata így csökken. 2. KÍSÉRLET: HŐMÉRSÉKLETVÁLTOZÁS Ennél a kísérletnél annál pontosabb a mérés, minél nagyobb a különbség a hideg és a meleg víz hőmérséklete között. A legcélszerűbb talán, ha jeges és forró vizet használunk. a) Az előző kísérletben használt összeállítást alkalmazzuk ismét! Merítsd az üres lombikot nyakig jeges vízbe! Várj kicsit, míg lehűl a lombik és a benne lévő levegő, majd dugaszold be az átfúrt dugóval és a műanyagcsővel. A műanyagcsőben lévő víz most legyen közel a dugóhoz! Készíts rajzot a kísérleti összeállításról! b) Vegyük ki a lombikot a vízből, és tegyük ismert hőmérsékletű meleg vízbe! Mérjük a levegő térfogatváltozását, ha tudjuk, hogy a műanyagcső éppen x cm hosszú, és belső térfogata: 12 ml! Számoljuk ki a gáz 0 C-on mért térfogatát Gay-Lussac törvényének segítségével! A víz hőmérséklete: T =... C =... K A vízcsepp elmozdulása: Δl =... cm A levegő hőmérsékletének változása: ΔT= T 2 - T 1 =... C =... K A Térfogatváltozás: Tudjuk, hogy x cm-hez V = 12 ml térfogat tartozik, és a hossz egyenesen arányos a térfogattal. Tehát: Δl ~ ΔV Δl / l = ΔV / V Amiből a keresett térfogatváltozás: ΔV = (Δl * V) / l =... ml A térfogatváltozás és hőmérsékletváltozás ismeretében Gay-Lussac törvényéből kiszámolható a kezdeti térfogat ΔV = β * V 0 * ΔT = (1/273) * (1/K) * V 0 * ΔT

22 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /3 2. KÍSÉRLET: HŐMÉRSÉKLETVÁLTOZÁS (folytatás) c) A gáz kezdeti térfogatát kiszámoltad, tehát tudod a következőket: V 0, T 0, ΔV, ΔT Mindezek ismeretében, Gay-Lussac törvényére támaszkodva vedd fel a gáz állapotgörbéjét a p-v, a V-T, és a p-t síkon! A kezdeti nyomás közelítőleg a légnyomással egyenlő, tehát 10 5 Pa. Mivel a vízcsepp könnyen elmozdul, a nyomás értéke vehető mindvégig ennyinek. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Miért nem törődtünk az első kísérletben a gömblombik hőtágulásával? A szilárd anyagok hőtágulása elhanyagolható a gázok hőtágulásához képest. Kísérletünk során mérésünk pontatlansága mellett elhanyagolható a lombik hőtágulásából eredő hiba. 2. Mekkora a nyomás a lombikban a jeges vízbe merítéskor, és a meleg vízben? A jeges vízbe merítéskor és a meleg vízben is, megközelítőleg, ugyanakkora a nyomás a lombikban.a légköri nyomás, és a vízcsepp nyomásának összege. 3. Mi történik egy félig üres műanyag ásványvizes palackkalha nyáron, a melegben betesszüka hűtőbe? A benne lévő levegő lehűl, térfogata csökken, miközben a külső nyomás állandó, így a a palackbehorpad. 4. Mi történne az előző ásványvizespalackkal, ha teletöltenénk és úgy tennénk a hűtőbe? Az üveg nem horpadna be. Bár a folyadékok hőtágulása nagyobb a szilárd anyagokéinál, mégsem olyan számottevő a különbség, hogy az 1,5 l esetén látványos legyen. 5. Nyáron, ha a Balaton partján felfújod a gumimatracot jó keményre, majd bemész vele a vízbe, úgy tűnik, mintha a gumimatrac kissé leengedett volna. Mi ennek a jelenségnek az oka? Mikor felfújtuk a gumimatracot a parton, a benne lévő levegő meleg volt. Ha történetesen a nap is tűz, még jobban felmelegíti a matracban lévő levegőt, így az kitágul, a matrac feszes lesz. A víz viszont lehűti a matracot, így a benne lévő levegő térfogata is csökken, úgy tűnik, mintha nem lenne elég levegő a matracban. 6. Az első kísérlet alapján magyarázd meg, miért fázunk nyáron is, mikor kijövünk a vízből! Mikor alkoholt csöppentettünk a lombik falára, az hirtelen elpárolgott, hőt vonva ezzel el környezetétől. Hasonló jelenség játszódik le, mikor kijövünk a vízből. A nap gyorsan elpárologtatja a vízcseppeket bőrünkről, hőt vonva ezzel el testünktől.

23 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 6. LÁTENS HŐ, KALORIMETRIA fizika /4! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! A borszeszégő használata során fokozottan ügyelj rá, hogy meg ne égesd magad! Melegítés során az üveglombik felhevül, semmiképp ne érintsd meg, csak miután kellően kihűlt! Használj a melegítés után lombikfogó csipeszt, nehogy megégesd magad! i HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Az első kísérletnél, a jég olvadáshőjének meghatározásakor nem vesszük figyelembe a kaloriméter hőkapacitását, ez azonban nem számottevő a víz hőkapacitásához és az egyéb mérési hibákhoz képest. * PEDAGÓGIAI CÉL A hőmennyiség új fogalom a tanulónak. A mindennapi életben nem használjuk, nem épül be könnyen a meglévő tudásba. A kísérletek segítik az új tudás integrálódását, és segítenek, hogy hosszú távon is megmaradjon a tudás a tanulók emlékezetében. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Ismerni kell az olvadáshő fogalmát, tudni kell, hogy a hőmennyiség munka típusú mennyiség. A tanulóknak tisztában kell lenniük, mi a kaloriméter, és mit jelent a vízérték. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK kaloriméter 2 db főzőpohár vasháromláb + fémháló borszeszégő hőmérő mérleg víz (hideg, meleg) jég (esetleg vízforraló) állvány 1.KÍSÉRLET: LÁTENS HŐ A Most következő kísérletben a jég olvadáshőjét szeretnénk megállapítani. Azt a hőmennyiséget igyekszünk megmérni, amennyi a jég megolvasztásához szükséges. a) Mérd meg az üres főzőpohár és a kaloriméter tömegét! m k = g m f = g b) Tegyél a kaloriméterbe hideg vizet, és annyi jégkockát, hogy azt a víz már ne olvassza meg. Hány fokos ekkor a víz? Annyi vizet tegyenek a diákok a kaloriméterbe, hogy annak kétszereseis beleférjen a kaloriméterbe! Annyi jég kell a vízbe, hogy annyi idő alatt se olvadjon meg, amíg a diákok vizet melegítenek. A jeges víz mindenkor T = 0 C-os.

24 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1.KÍSÉRLET: LÁTENS HŐ (folytatás) c) Mérd meg a kaloriméter jelenlegi tömegét! Számold ki a kaloriméterben lévő víz tömegét! m k+v =... g Ebből a víz tömege: m v = m k+v m k =... g d) Tegyél a főzőpohárba a kaloriméterben lévő vízzel megegyező tömegű vizet, tedd a vasháromlábra, és kezd el melegíteni a borszeszégővel! Gyorsabb és egyszerűbb lehet a mérés, ha vízforralóval vizet forralunk, és ezt öntjük a főzőpohárba. Kimérjük a kellő mennyiséget, és azonnal tölthetjük a kaloriméterbe. e) Kevergesd a hőmérővel folyamatosan, és melegítsd egészen 100 C-ig! Amint eléri a forráspontot, gyorsan öntsd át az egész vizet a kaloriméterbe! Vigyázz, a főzőpohár is forró! f) Keverd össze a hőmérővel a vizet a kaloriméterben. Várd meg, míg elolvad az összes jég, és beáll az egyensúlyi hőmérséklet! T közös =... C Tudjuk továbbá, hogy: T jeges = 0 C T forró = 100 C g) Mekkora a forrásban lévő víz által leadott hő? A víz fajhője: c v = 4,2 J/(g C) Q le = c v m ΔT c v m (T közös - T forró ) =... J h) A leadott hőmennyiség részben a jég megolvasztására fordítódott, részben a 0 C-os víz melegítésére. Ahhoz, hogy megtudd mennyi energia kellett a jég elolvadásához, ki kell még számolnod, a jégmenetes, 0 C-os víz mennyi hőt vett fel. A felvett hő: Q fel = c v m ΔT c v m (T közös - 0 C) =... J i) Látod, hogy a felvett és a leadott hő nem egyezik meg. A kettő különbségéből számold ki, mekkora hőmennyiség kellett, hogy megolvadjon a jég! Q fel - Q le =

25 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: KALORIMÉTER HŐKAPACITÁSA a) Önts össze a kaloriméterben azonos tömegű, ismert hőmérsékletű forró és hideg vizet, majd mérd le az egyensúlyi hőmérsékletet! Végezd el a kísérletet először úgy, hogy a forró vizet öntöd a kaloriméterbe, majd rá a hideget, és végezd el a kísérletet fordítva is! Ügyelj rá, hogy a kísérlet ismétlésekor a forró és a hideg víz azonos mennyiségű, és hőmérsékletű legyen, mint az első alkalommal! Írd le a tapasztaltakat! Tapasztalat: A vízkeverékek hőmérséklete kicsit eltér. Az egyik a számolható érték fölött lesz, a másik a számolt érték alatt. Az eltérés oka, hogy a kaloriméternek is van hőfelvétele, amit eddig nem vettünk figyelembe. 3. KÍSÉRLET: KALORIMÉTER VÍZÉRTÉKE a) Mérd meg a szárazra törölt kaloriméter tömegét (hőmérővel, fedővel együtt), majd töltsd félig szobahőmérsékletű vízzel! Olvasd le a hőmérőről a víz pontos hőmérsékletét! m k =... g T 1 =... C b) Mérd le a kaloriméter tömegét a vízzel együtt is! Állapítsd meg a mért adatból a víz tömegét! m k + m v =... g m v = (m k + m v ) -m k =... g c) A főzőpohárban melegíts a kaloriméterben lévő vízzel azonos mennyiségű vizet (nem kell feltétlenül felforralni)! Amikor a víz elég forró már, zárd el a borszeszégőt, és mérd meg a víz hőmérsékletét! T 2 =... C d) Öntsd a főzőpohárban lévő vizet is a kaloriméterbe! Várd meg, míg beáll a közös hőmérséklet! Mérd le a közös hőmérsékletet! T közös =... C e) Mennyi hőt adott le a főzőpohárban melegített víz? Qle = cv m ΔT = cv m (Tközös- Tforró) = J f) A leadott hő részben a szobahőmérsékletű víz melegítésére, részben a kaloriméter melegítésére fordítódott. Számítsd ki, mennyi hőt vett fel a víz! Q fel = c v m ΔT = c v m (T közös T 1 ) =... J g) A két, számolt érték különbsége adja meg a kaloriméter által felvett hőt. h) Számítsd ki a kaloriméter vízértékét! Q kalori =Q fel -Q le =... J Q kalori =M v ΔT M v = Q kalori / ΔT=... J/K

26 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Mit jelent a látens hő? Az a hőmennyiség, amit az anyag halmazállapot változása során felvesz, és teljes egészében a halmazállapot változásra fordít, vagy a halmazállapot változása során a környezetének lead. Ide tartozik az olvadáshő, párolgáshő (illetve a dermedéshez, lecsapódáshoz szükséges hőmennyiség). 2. Mit jelent a hőkapacitás? A hőkapacitás azt mutatja meg, hogy egy adott anyag hőmérsékletének 1 K-nel való megváltoztatásához mennyi hőmennyiség szükséges. 3. Mit jelent a kaloriméter jellemző adata, a vízérték? A vízérték számértéke éppen azt adja meg, hogy a kaloriméter 1 C-kal való melegítéséhez szükséges hőmennyiség mennyi vizet tudna felmelegíteni 1 C-kal. Másképpen fogalmazva, mennyi vízzel lenne helyettesíthető a kaloriméter, hogy a rendszer hőkapacitása ne változzék. MÉRÉSI HIBALEHETŐSÉGEK Mérési hiba lehet a kísérleteknél, hogy a vízből, amit melegítünk, számottevő elpárolog. Ennek kiküszöbölésére szűknyakú gömblombikban is melegíthetünk, esetleg mérhetjük a tömeget a melegítés után is, akkor azonban fokozottan kell figyelni, hogy a diákok ne égessék meg, illetve forrázzák le magukat.

27 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika ELEKTROSZTATIKAI ALAPJELENSÉGEK 07 1/4! i BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Dörzselektromos jelenségeknél a bőrrel dörzsölt üvegrúd pozitív, még a szőrmével dörzsölt ebonitrúd negatív töltésre tesz szert. A bőrdarab és a szőrmedarab, amivel megdörzsöltük, éppen ellentétes előjelű töltést kap. * PEDAGÓGIAI CÉL A felsorolt kísérletek nagyon egyszerűen elvégezhetők, és nem szükségelnek komolyabb fizikai előismereteket. Ennél fogva a tapasztalatszerzés, és tanulás játékos formában valósul meg. Ha hagyjuk, hogy a játék kiteljesedjen, akkor csökkenteni tudjuk ezáltal a tanulókban lévő ellenállást a tanulás és iskola felé, könnyebben fogadják be az új információkat. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS A tanulók a szükséges előismeretekkel jórészt már rendelkeznek. Az elektromos állapot és elektromos kölcsönhatás fogalmait járjuk körül részletesen. Fontos azonban tudatosítani, hogy, bár kétféle elektromos állapot létezik, a pozitív töltések nem vándorolnak a kísérlet során. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK, ANYAGOK üvegrúd PVC rúd vasrúd papírzsebkendő papírlap alufólia akasztóhorgos tartó állványtalp csipesz zsinórón elektroszkóp gyertya gyufa/öngyújtó 1. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS ÁLLAPOT a) Tépj papírzsebkendőből apró darabkákat, és szórd az asztalra! Dörzsöld meg a szövetdarabbal a PVC csövet, és tartsd a papírdarabkák fölé! Mit tapasztalsz? Az műanyagcső magához vonzza a papírdarabkákat, azok a rúdhoz tapadnak. b) Végezd el a kísérletet üvegrúddal, végül a vasrúddal is! Tapasztalatok: Az üvegrúd ugyanúgy viselkedett, mint a műanyag. A vas nem vonzotta a papírdarabokat. Magyarázat: Az üvegrúd, ahogy a műanyag is, elektromos állapotba került a dörzsölés hatására. A vas látszólag nem került elektromos állapotba.

28 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: KÉTFÉLE ELEKTROMOSSÁG a) Helyezd az akasztóhorgos tartót az állványtalpba! A PVC rudat fogd be középen a csipeszszel, és akaszd fel a horogra! Dörzsöld meg a felakasztott rudat egy szövetdarabbal, majd állítsd nyugalmi helyzetbe. Dörzsölj meg egy másik PVC rudat is szövetdarabbal, majd közelítsd a felfüggesztett rúd egyik végéhez! Tapasztalat: A felfüggesztett rúd elfordul, távolodik a kezünkben tartott rúdtól. b) Végezd el a kísérletet úgy is, hogy megdörzsölt üvegrúddal közelítesz a felfüggesztett PVC rúdhoz! A PVC rúd most is elfordul, de az üveg irányába. c) Rajzold le a kísérleti összeállítást! d) Hogyan magyarázható a jelenség? A dörzsölés hatására az üveg és a PVC különböző elektromos állapotba kerültek. A PVC rúd negatív töltésű, az üveg pozitív töltésű lett. A jelenség oka, hogy az anyagok dörzsölésekor az egyik anyag elektronokat veszít, a másik átveszi tőle. Mivel az elektronnak negatív töltése van, az egyik anyag (mely elektront veszített) negatív töltés hiányában pozitív töltésű lett, a másik anyag, éppen fordítva, negatív töltésre tett szert. 3. KÍSÉRLET: VEZETŐK ÉS SZIGETELŐK Az első kísérletben azt tapasztaltuk, hogy a vas nem vonzotta a papírdarabokat. Ez azonban nem jelenti azt, hogy nem került elektromos állapotba! a) Tépj apró darabokat alufóliából, és szórd az asztalra! Dörzsöld meg szövetdarabbal a PVC csövet, és tartsd az alufóliadarabkák fölé! Írd le a tapasztaltakat! A cső ugyanúgy magához vonzza a kis darabkákat, mint a papír esetén. Érintkezés után azonban az alufóliadarabkák átveszik a PVC rúd töltését, így az azonos töltés miatt taszítóerő lép fel. Az alufólia lepattan az rúdról. b) Készíts szigetelőnyelet! Tekerd körbe jó néhányszor a vasrúd egyik végét papírlappal! Fogd meg a nyelénél a vasrudat, közben vigyázz, hogy ne érj a fémrészhez! Kérd meg diáktársad, hogy dörzsöljön meg egy PCV rudat szövetdarabbal, majd húzza végig a műanyagot a vasrúdon. Ismételje meg többször a műveletet!

29 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 3. KÍSÉRLET: VEZETŐK ÉS SZIGETELŐK (folytatás) Nagy páratartalom esetén a vasrúd nagyon hamar elveszíti a rávitt töltéseket, ilyenkor megpróbálkozhatunk azzal, hogy majdnem az egész vasrudat betekerjük papírral. Nagyon magas páratartalom mellett azonban előfordulhat, hogy egyáltalán nem működik a kísérlet (ez utóbbi az összes kísérletre igaz, ilyen esetben el kell napolni ezt az anyagrészt). c) Közelíts a vasrúddal a felfüggesztett PVC cső felé! Mit tapasztalsz? A PVC cső elfordul, távolodik a vascsőtől, tehát a vas is elektromos állapotba került. A vas és a PVC cső elektromos állapota megegyezik, hiszen taszító hatást tapasztalunk. d) A vasrudat az elektroszkóp mellett tartva érintsd meg kezeddel a vasrudat. Mi történik? A vasrúd elveszíti negatív töltését, kezünk érintésével leföldeljük. A taszítóhatás megszűnik. e) Érintsd meg a töltött vasrudat semleges PVC csővel, üveggel is! Írd le a tapasztaltakat! A vasrúd megtartja töltését. Ennek oka, hogy a PVC és az üveg szigetelők, nem tudják elvezetni a vasrúd töltését. f) Érintsd meg a feltöltött vasrudat üvegcsővel, de most lehelj rá előtte az üvegcsőre! Mit tapasztalsz? A vasrúd elveszíti töltését. Az üvegcsövön vékony vízréteg képződött, így a cső vezetővé vált. Következtetés: A víz is vezető. 4. KÍSÉRLET: LEVEGŐ ÉS VÍZ A legutolsó kísérletben tapasztalhattuk, hogy a víz is vezetőként viselkedik. Fotó: Mike Ariel a) Nyiss meg egy csapot úgy, hogy a víz épp csak folydogáljon belőle. Közelíts hozzá töltött PVC, csővel, illetve üvegrúddal! Mit tapasztalsz? A vízsugár elhajlik a rúd felé. Fotó: Mike Ariel

30 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 4. KÍSÉRLET: LEVEGŐ ÉS VÍZ (folytatás) b) Figyeld meg, mi történik, ha töltött elektroszkóp mellett gyertyát égetünk! Töltsük fel a Braun féle elektroszkópot, és gyújtsunk mellette gyertyát! Tapasztalat: Az elektroszkóp nagyon hamar elveszti töltését. Ennek oka, hogy a gyertya lángjának hatására a levegő ionizálódik, így az elektroszkóp a töltésével ellentétes részecskéket magához vonzza, így a töltés kiegyenlítődik. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Miért veszélyes, és szigorúan tilos vizes füvet vágni elektromos fűnyíróval, mezítláb? A vizes fű vezetőként viselkedik, és ha nincs rajtunk cipő, nincs a talpunkon szigetelés, és áramütés érheti az embert. Történt már sajnos nem egy ilyen baleset. Sokan belehaltak már ebbe a meggondolatlanságba. 2. Végezz otthon is kísérletet! Vágj 1 cm széles csíkot alufóliából, majd hajtsd egy műanyagnyelű kenyérvágókés hegyére úgy, hogy az alumínium párhuzamosan fusson a kés élével, de a hajtáson kívül ne érjen hozzá! Fogd egyik kezedbe a nyelénél a kést, a másik kezedbe fogj egy műanyag fésűt! Dörzsöld a fésűt a hajadhoz, majd húzd végig a fésűt a kés fém részén (ne az élén!)! Néhányszor ismételd meg a mozdulatot, majd tedd félre a fésűt, és érj hozzá a kés éléhez! Írd le tapasztalataidat! A rendszer egyszerű elektroszkópként viselkedik. A kés és az alufólia jó vezetők, így a rájuk vitt töltés megoszlik rajtuk. Mivel ugyanolyan előjelű töltéssel rendelkeznek, taszítják egymást, a fólia megemelkedik. Ha hozzáérünk, földeljük a rendszert, a fólia visszatér eredeti helyzetébe. ALTERNATÍV SZEMLÉLTETÉSI MÓDOK, EZEKRE UTALÓ FORRÁSMEGJELÖLÉSEK 1. Ha tudunk, szerezzünk neoncsövet. Elsötétített teremben a szőrmedarabbal dörzsölve a neoncső felvillan. Ez egy nagyon látványos és kézenfekvő bizonyítéka annak, hogy dörzsölés hatására a cső elektromos állapotba került. Öveges József otthon is könnyen elvégezhető kísérletet említ: Öveges József: Kísérletek könyve; Anno I.M.D. 2. Fésű elektroszkóp: Egy műanyag fésűnek keménypapírból tokot csinálunk úgy, hogy a papírt félbehajtjuk, és belehelyezzük a fésűt. A tok ne fedje el teljesen a fésűt, csak egy kis részét! Pár öltéssel össze is varrhatjuk a papírtok felső részét. Ezután fűzzünk át cérnát a papírtokon, hogy fel tudjuk akasztani a fésűt, de az könnyen elforogjon. Ezzel készen is van a házilag készített elektroszkópunk!

31 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika ELEKTROMOS MEGOSZTÁS, KISÜLÉS 08 1/4! i BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! A megosztógép működése közben soha ne érintsd meg a gép fémrészeit! A kísérletek végeztével a kisütő elektródák gömbjeit érintsd össze, hogy kisüljenek a kondenzátorok! HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Az elektrosztatikai alapjelenségek alapja az elektromos térerősség, és a térerősség vonalak sűrűsége, a fluxus. Ezekkel az ismeretekkel a tanulók még nem rendelkeznek, de igyekezni kell a magyarázatokat úgy alakítani, hogy később könnyebb legyen bevezetni ezeket a fogalmakat. * T PEDAGÓGIAI CÉL A következő kísérletek célja, hogy a diákok önállóan elvégezhető feladatokon keresztül, tapasztalati úton szerezzenek tudomást az elektrosztatikai jelenségekről. A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Elektrosztatikai alapfogalmak, elektromos töltések fajtái. SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK PVC cső szövetdarab kettéosztható hengeres vezető Wimshurst-féle megosztógép eszköz a golyók táncához krokodilcsipesszel ellátott vezeték 1. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS MEGOSZTÁS I. a) Figyeld meg, mi történik, ha elektromosan töltött ebonitrúddal közelítünk az elektroszkóp tányérjához! Tapasztalat: Az elektroszkóp mutatója kitér. b) Mit gondolsz, mi történik, ha az ebonitrúdéval ellentétes töltésű üvegrúddal közelítünk az elektroszkóphoz? Akkor is kitér a mutató. c) Figyeld meg és magyarázd a jelenséget! Miért tér ki a mutató? Amikor töltött testtel közelítünk az elektroszkóp tányérjához, a negatív töltések elmozdulnak az elektroszkóp vezető felületén. A töltött testtel ellentétes töltésű lesz így a tányér, és a test töltésével megegyező töltésű lesz az elektroszkóp mutatója és a középső vezető rész is. Mivel azonos töltésű a középső rész és a mutató is, taszító hatás érvényesül, a mutató kitér. d) Miért tért vissza a mutató az eredeti állapotába, miután a töltött rudat eltávolítottuk? Mert megszűnt az az erő, ami a töltéseket szétválasztotta az elektroszkópon belül.

32 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS MEGOSZTÁS I. (folytatás) e) Figyeld meg, mi történik, ha a töltött ebonitrudat hozzáérintjük (végighúzzuk) az elektroszkóp tányérján! Tapasztalat: A mutató kitér, de úgy is marad. Magyarázat: Az elektroszkóp felületén most nem megoszlottak a töltések, hanem maga az elektroszkóp is töltést nyert. f) Figyeld meg, mi történik, ha megérintjük az elektroszkóp tányérját! Tapasztalat: A mutató lassan visszatér eredeti állapotába. g) Mire következtetsz a látottak alapján? Testünk vezető, vagy szigetelő? Testünk felületén képesek töltések vándorolni, jelen esetben testünk vezetőként viselkedik. 2. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS KETTŐSINGA a) Dörzsölj meg egy ebonitrudat gyapjúdarabbal, és húzd végig az elektromos kettősinga fém tartóhorgán! Figyeld meg, mi történik! A kis golyócskák eltávolodnak egymástól. b) Mivel tudod magyarázni a jelenséget? Az ebonitrúdtól töltéstöbblet alakult ki a kettősingán. A kis golyócskák így azonos előjelű töltésre tettek szert, így taszítóerő lépett fel közöttük. 3. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS MEGOSZTÁS II. a) Figyeljük meg, mi történik, ha összeérintett, semleges, hengeres vezetőkhöz elektromosan töltött PVC csővel közelítünk, a hengereket hirtelen szétválasztjuk, majd elektroszkóphoz közelítjük a hengereket külön-külön! b) Rajzold le vázlatosan a kísérleti összeállítást! A kísérletet elvégezhetjük (kettéosztható hengeres vezető hiányában) a hőtani kísérletek során megismert eszközök segítségével is: Fotó: Mike Ariel

33 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 3. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS MEGOSZTÁS II. (folytatás) c) Írd le a tapasztalataidat, magyarázd meg a jelenséget! Tapasztalat: Az elektroszkóp mindkét henger esetében töltött állapotot jelez. Magyarázat: A PVC cső negatív töltéssel rendelkezik, taszítja a hengeres vezetőkben az elektronokat, ígyazok a csőtől távolabbi hengeren elektrontöbbletet hoznak létre. Szétválasztáskor ezért a csőhöz közelebbi henger pozitív töltésű, még a távolabbi henger negatív töltésű marad. 4. KÍSÉRLET: A WIMSHURTS-FÉLE MEGOSZTÓGÉP a) Állítsd be úgy a gépet, hogy a fémgömbök 2-3 cm-re legyenek egymástól. Forgasd meg a kereket, a hajtókart az óramutató járásának megfelelően forgasd! Írd le a tapasztaltakat! A forgatás hatására a gömbök között szikrakisüléseket látunk. b) Figyeld meg alaposan a megosztógépet! Magyarázd el röviden a jelenséget! Középen a két kerék ellentétes irányba forog, a rajtuk lévő fémecsetek folyamatosan súrlódnak, így a kerekeken lévő szatniolcsíkok feltöltődnek. A töltések a kondenzátorokba jutnak, és az egyre nagyobb töltéskülönbség egy idő után szikrakisülést eredményez. c) Miután már nem forognak a kerekek, érintsd össze a fémgömböket! Mit tapasztalsz? Összeérintéskor még látunk egy kisülést, halljuk a szikra pattanását. Ennek oka, hogy a forgatás után a kondenzátorok még töltött állapotban voltak. Nem jött létre elég nagy feszültség, hogy az egymástól pár centire lévő gömbök között kisülés jöjjön létre, de még így is sok töltést tároltak magukban. 5. KÍSÉRLET: ÁTÜTÉSI FESZÜLTSÉG Az előző kísérletben a száraz levegő egy ideig szigetelőként viselkedett, majd, miután elég sok töltés felhalmozódott a kondenzátorokban, mégis képesek voltak a negatív töltések átugrani az egyik gömbről a másikra. Ez minden szigetelőanyag esetében így van. A két vezető közötti szigetelőrész egy bizonyos feszültség felett vezetővé válik. Ezt a határfeszültséget nevezzük átütési feszültségnek. a) Tedd a három golyót az átlátszó hengerbe, majd zárd le a henger végeit alumíniumfedelekkel! Tedd a hengert valamilyen szigetelőanyagra (füzet, tankönyv is megfelel)! A megosztógép gömbjeit távolítsd el egymástól, és nyelükre csíptess egy-egy krokodilcsipesszel ellátott vezetéket! A vezetékek másik végeit csíptesd az átlátszó henger fedeleihez! Tekerd meg a megosztógép karját, figyeld, meg mi történik! Tapasztalat: A golyók fel-le pattognak a hengerben. Magyarázat: A henger alja és így a golyók a megosztógépen keresztül töltést szereznek, a henger tetején lévő doboz pedig éppen ellentétes előjelű töltést kap. Így a henger alja taszítja, a teteje vonzza a golyócskákat, azok felpattannak. A henger felső részével érintkezve azonban átveszik az ellentétes töltést, így most a henger teteje taszítja őket, az alja vonzza. Ebben a kísérletben mondhatjuk, hogy a henger alja és teteje között lévő levegőrétega szigetelőréteg. A jelenség alapján elképzelhető, miért fontos adata a szigetelőknek az átütési feszültség.

34 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1. Érdekesség: Nagy zivatarok idején előfordulhat, hogy a közelünkbe csap be a villám valahova, vagy a felettünk lévő felhők között történik a kisülés. Ilyenkor, bár nem belénk csapott a villám, mégis áramütés érhet minket. Ezt a jelenséget hívjuk a villám szelének. Ennek oka az első kísérletünkkel magyarázható. A felettünk lévő, negatív töltésű zivatarfelhő a testünkből a földbe taszítja a negatív töltéseket, így testünk pozitív töltésű lesz. A kisülés pillanatában megszűnik a taszítóerő. A testünk azonban már erős pozitív töltéssel rendelkezik, így a földből hirtelen visszaáramlanak az elektronok belé, áramütést érezhetünk. 2. Miért nem ráz meg minket az áram, ha fázisceruzával a konnektorba nyúlunk? A fázisceruza szigetelőrétege olyan gátat hoz létre a töltéseknek, melyeket 230 voltos feszültség mellett képtelenek átugrani. 3. Miért vezetnek a háztartásokba a fázis és a nulla mellett külön vezetőt földelésnek minden konnektorba és kapcsolóba? A mindennapi használat során háztartási gépeink is feltöltődhetnek elektrosztatikusan. Az ebből adódó feszültség kárt tehet gépeinkben, illetve akár veszélyforrás is lehet. Ezen elektrosztatikus feltöltődést vezeti el a plusz vezeték.

35 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika CSÚCSHATÁS, ELEKTROMOS SZÉL 09 1/4! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! Minden kísérlet végén, mely során használod a megosztógépet, a gömböket érintsd össze, hogy a kondenzátor fegyverzetei kisüljenek! Ügyelj rá, hogy a gyertya meggyújtásakor se magadat, se diáktársadat ne égesd meg. Vigyázz, a lecsöppenő viasz is forró! i HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA A csúcshatás jelenségének magyarázata az adott felületen eloszló töltésmenynyiséggel, a felületi töltéssűrűséggel magyarázható. Szabálytalan testek esetében a töltések eloszlása nem egyenletes, minél élesebb görbület található a felületen, annál nagyobb a töltéssűrűség. Ebből következik, hogy hegyes vezetők esetében a hegyen halmozódik fel a legtöbb töltés. * PEDAGÓGIAI CÉL Tapasztalatszerzés a csúcshatás és az elektromos szél témaköréből. Mivel a jelenségekkel a hétköznapi életben nem igazán találkozunk, fontos, hogy tapasztalat útján épüljön be az új tudás a tanulók eddigi ismeretei közé. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Elektrosztatikai alapjelenségek ismerete. Pozitív, negatív töltések. Vezető, szigetelő. Elektromos megosztás, kisülés jelensége. SZÜKSÉGES ANYAGOK polisztirol anyagú golyó gyertya gyufa/öngyújtó szövetdarab PVC cső SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK állványtalp csúcsban végződő, meghajlított vezető Segner-kerék alumínium alátétkorong 2 db krokodilcsipesz 2 vezeték szarvas villámhárító 1. KÍSÉRLET: CSÚCSHATÁS a) Fogd állványba a csúcsban végződő meghajlított vezetőt! A megosztógép gömbjeit távolítsd el egymástól, és az egyik nyelére csíptess egy krokodilcsipesszel ellátott vezetéket! A vezetékek másik végét csíptesd az állványhoz! b) Szövetdarabbal megdörzsölt PVC csövet érints hozzá a fonálon függő polisztirol anyagú golyóhoz. Mit tapasztalsz? Tapasztalat: A golyót vonzza a PVC cső, érintkezés után a golyó lepattan. Magyarázat: A polisztirol golyó átvesz a PVC cső töltéséből, így töltésük előjele megegyezik, taszítani fogják egymást.

36 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1. KÍSÉRLET: CSÚCSHATÁS (folytatás) A töltött golyót fogjuk elektroszkópként használni a kísérlet további részében. c) Tartsd a kezedben a fonálnál fogva golyót. Forgasd meg néhányszor a megosztógép hajtókarját! Mit tapasztalsz? Közelíts a csúcsban meghajlított vezető oldalához, majd a csúcsához a fonálon függő golyóval! Írd le tapasztalataidat! A golyó és a meghajlított vezető is pozitív töltésű, így taszítják egymást. A csúcsnál sokkal erősebb taszítóerő érzékelhető. Magyarázat: A töltések eloszlása vezetőkben a vezető alakjától is függ. Minél nagyobb a görbülete a vezető felületének, annál több töltés halmozódik fel a törési pontoknál. Csúcsoknál a legnagyobb a töltéssűrűség. Rajzold le a kísérleti összeállítást! A kísérleti összeállítás: Fotó: Mike Ariel d) A kísérlet végeztével érintsd össze a megosztógép gömbjeit, hogy kisüsd a kondenzátorokat! 2. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS SZÉL a) Az összeállítás hasonló, mint az előző kísérletnél, de nem lesz szükség a golyóra. Az alumínium alátétkorongra állítsd rá a gyertyát, és tedd a hajlított vezető hegyéhez közel! Gyújtsd meg a gyertyát, tekerd meg a megosztógép karját, és figyeld meg, mi történik!

37 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 2. KÍSÉRLET: ELEKTROMOS SZÉL (folytatás) Fotó: Mike Ariel A gyertya lángja elhajlik. Éppen úgy mintha valaki óvatosan megfújta volna. Előfordulhat, hogy a gyertya ki is alszik. Magyarázat: A tűz ionizálja maga körül a levegőt. Ez azt jelenti, hogy a levegő részecskéi is töltést kapnak.az ionizálódott levegő negatív részecskéi a pozitív töltésű, hegyes vezető felé áramlanak nagy sebességgel, a csúccsal érintkezve a részecskék ellenkező előjelű töltést kapnak, így lepattannak a csúcsról,, így elektromos szél keletkezik, ami elfújja a lángot. 3. KÍSÉRLET: A SEGNER-KERÉK a) A kísérleti összeállítás hasonló az előzőhöz, csak a hajlított, hegyes vezetőt cseréld ki Segner-kerékre! b) Rajzold le a kísérleti összeállítást! c) Mit sejtesz, mi fog történni, ha a megtekered a megosztógép karját? Azt sejtjük, hogy a kerék mozgásba jön. d) Tekerd meg a megosztógép karját, és figyeld meg, mi történik! A Segner-kerék forgásba jön, a csúcsainak állásával ellentétes irányba kezd forogni. Magyarázat: Az előző kísérlethez hasonlóan ismét ionizálódik a levegő, a negatív részecskék a csúcsokhoz vonzódnak, majd lepattannak.ezeknek a töltéshordozóknak azonban van tömegük is, így Newton III. törvénye szerint a csúcsra is hat erő. Ez az erő forgatja a kereket.

38 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 4. KÍSÉRLET: SZARVAS VILLÁMHÁRÍTÓ A természetben is találkozhatunk a töltések szétválasztásának, majd a kisülés jelenségével. A kísérletek során tapasztalt kisüléseknél sokkal hatalmasabb energiákról, a villámokról van szó. Ez a hatalmas kisülés károkat okozhat lakóépületeinkben is, így fontos a villámok elleni védelem. a) Magyarázd meg a csúcshatás jelenségével, hogy miért hegyes végű villámhárítókat használunk! Csúcsban végződő vezető a környezeténél jóval erőteljesebben képes töltéseket felvenni, így magához vonzza a villámot, majd képes azt levezetni, leföldelni. b) Figyeld meg a szarvas villámhárítót működés közben! c) Írd le tapasztalataidat! A két elektróda között felkúszó ívkisülés látható. A jelenség jól demonstrálja a villámhárító munkáját villámcsapás esetén. FELADATOK, KÉRDÉSEK 1. Miért szerelnek a házak tetejére villámhárítót? Ennek kettős oka van. Az egyiket már érintettük, hiszen fontos a házak védelme. A villám, kisülésként hatalmas energiát hordoz, melynek romboló hatását kerülhetjük el, ha ezt az energiát, a töltéseket leföldeljük. A másik oka, a járókelők, autók, stb. védelme. a magas pontra kihelyezett villámhárító védi a felszínen lévő környezetét is. 2. Miért veszélyes zivatarfelhő alatt tüzet gyújtani? A gyertyás kísérletnél láttuk, hogy a tűz ionizálja maga körül a levegőt, így csatornát képez a villámok számára. 3. Nézz utána, mit jelent a Napkitörés! Hogyan keletkezik, milyen hatása lehet életünkre? Egy töltött részecskékből álló nagy sebességű áramlás, mely a napból ered. Mágneses vihart okozhat, zavarhatja a rádiókommunikációt, egy nagy erősségű protonáramlás a számítógépes rendszerek összeomlását is okozhatja. ALTERNATÍV SZEMLÉLTETÉSI MÓDOK 1. A Maxim Kiadó 10-es fizikakönyve az Elektrosztatika című fejezet első leckéjében említ egy elektrosztatikus elven működő, házilag megépíthető motort. Ábra és leírás is tartozik hozzá, és mindaz, amire szükség van hozzá: műanyagpalack, farúd, gombostű és két szorító.

39 ajánlott korosztály: 10. évfolyam 10. OHM TÖRVÉNYE fizika /4! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! Ne használj a megengedettnél nagyobb feszültséget! Az áramkör zárása előtt a kapcsolást mutasd meg tanárodnak! i HÁTTÉR ISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Ahhoz, hogy mozgó elektromos töltésekről beszélhessünk, potenciálkülönbséget kell létrehozni, és vezetőkre van szükségünk melyekben a mozgó elektromos töltések elmozdulhatnak. A rendszer folyamatos kiegyenlítődésre törekszik. * PEDAGÓGIAI CÉL A kísérletek elsődleges célja, hogy a diákok maguktól fogalmazzák meg Ohm-törvényét. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Az elektrodinamika fogalmának jelentése. Az áramerősség, feszültség, ellenállás fogalmainak ismerete. tápegység (1-12V) 3 db ugyanolyan tekercs (azonos anyagból, azonos huzalátmérővel, a menetszám lehet különböző) kapcsolótábla 4 db híd alakú dugó izzófoglalat izzó, 4,5 V-os 100 Ω-os ellenállás 1000 Ω-os ellenállás SZÜKSÉGES ANYAGOK, ESZKÖZÖK 1.KÍSÉRLET: VEZETŐ ÉS SZIGETELŐ 2 db krokodilcsipesz 2 db, hegyben végződő vezeték (piros és fekete) mérőpohár (100 ml) konyhasó (vagy citromlé) víz anyag minták (réz, műanyag, gumi, alumínium, fa, grafit) digitális multiméter a) Készíts elő a kísérlethez 3 db híd alakú dugót, izzót és izzófoglalatot, 2 db krokodilcsipeszt, a tápegységet, és két vezetéket a tápegységhez! Építsd meg az áramkört a képen látható módon! A tápegység legyen kikapcsolva!

40 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1.KÍSÉRLET: VEZETŐ ÉS SZIGETELŐ (folytatás) b) A krokodilcsipeszek közé illeszd az anyagmintákat, zárd az áramkört, és figyeld meg, mi történik! Tapasztalatok: A réz, az alumínium és a szénrúd vezetőként viselkednek, az izzó világítani kezd. Az anyagdarab, a fa, a gumi és a műanyag szigetelőként viselkednek. c) Cseréld ki a krokodilcsipeszeket a hegyes végű, piros és fekete vezetékre! d) Töltsd meg az átlátszó dobozt vízzel és helyezd bele a hegyes vezetékek végeit! Változtasd a feszültséget 12 V-ig! Mit tapasztalsz? Tapasztalat: Az izzó nem világít. Magyarázat: A víz szigetelőként viselkedik. e) Hagyd a vezetékek végeit a vízben, és keverj el konyhasót a vízben. Írd le tapasztalataidat! Tapasztalat: A só hatására a víz vezetővé válik, az izzó világítani kezd. Körülbelül 10%-os sóoldat esetén 6-8V-os feszültség esetén kezd csak világítani. Megkérhetjük a tanulókat, hogy próbálják ki, mi történik, ha a krokodilcsipesz végeit közelítik egymáshoz. Megtapasztaltathatjuk, hogy ennek hatására az izzó erősebben kezd világítani, ezt párhuzamba állíthatjuk a hengeres vezetők ellenállásának változásával a hossz függvényében. Magyarázat: A sós víz egy bizonyos feszültség felett vezetőként viselkedik, ám így is elég nagy az ellenállása.

41 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 1.KÍSÉRLET: VEZETŐ ÉS SZIGETELŐ (folytatás) f) Emlékszel még az elektrosztatikai kísérletekre? Mit jelentett a szigetelőképesség és az átütőfeszültség? Mi köze van ehhez a kísérlethez? A tiszta víz jobb szigetelő, mint a sósvíz. A sósvíz ionjai segítik a vezetést, így kisebb lesz az átütőfeszültség, mely felett már vezetőként viselkedik az anyag. 2. KÍSÉRLET: OHM TÖRVÉNYE a) Az izzó helyére tegyél 100 Ω-os ellenállást! A hegyes végű vezetők helyére pedig kösd be a digitális multimétert! b) Állítsd be a digitális multimétert úgy, hogy egyenáramon áramerősséget mérjen! A méréshatár legyen 1 ma! Várhatóan 40 ma-t fogunk mérni! Fel kell hívni a tanulók figyelmét rá, hogy ha rossz méréshatárt választunk, a multiméterben lévő biztosíték kiég. c) Állítsd a feszültségforrást (kikapcsolt állapotban!) 4 V-ra! d) Mutasd meg a kísérleti összeállítást tanárodnak! e) Ha megfelelő az összeállítás, kapcsold be a feszültségforrást, és jegyezd fel az adatokat! f) Mérd meg az áramerősséget a táblázatban szereplő feszültségek esetén is! g) Végezd el a mérést 1 kω-os ellenállás mellett is! Ha szükséges, állítsd át a multiméter méréshatárát! Jegyezd fel az adatokat! Feszültség (V) Ellenállás (Ohm) Áramerősség (A) Feszültség (V) Ellenállás (Ohm) Áramerősség (A) KÍSÉRLET: VEZETŐK ELLENÁLLÁSA a) Digitális multiméterrel mérd meg egy tekercs ellenállását! R =... Ω b) Kapcsolj össze két tekercset soros kapcsolással, majd mérd meg a két tekercs együttes ellenállását! Végül kapcsolj egy harmadik tekercset is sorosan az előző kettő mellé, és mérd meg újonnan az eredő ellenállást! R =... Ω, R =...Ω

42 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /4 3. KÍSÉRLET: VEZETŐK ELLENÁLLÁSA (folytatás) c) Mit gondolsz, miért a menetszám a tekercs ellenállásának egyik jellemzője? Bár eddig nem vettük figyelembe, de a vezetőanyagoknak, tulajdonképpen az áramkör minden elemének külön-külön van ellenállása. Ezen kísérletünkben a vezető hossza változott csupán, így bizonyítottuk, hogy egy vezető ellenállása függ a hosszától. A tekercs menetszáma éppen a feltekercselt vezeték hosszával arányos. d) Vond le a következtetést! Hogyan változik a vezetők ellenállása a hossz függvényében? A vezetők ellenállása hosszukkal egyenes arányban áll, tehát kétszer olyan hosszú vezetéknek kétszer akkora az ellenállása. FELADATOK, KÉRDÉSEK, GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK 1) A második kísérlet alapján próbálj meg összefüggést találni a feszültség, az ellenállás és az áramerősség között! Az összefüggés éppen Ohm törvénye: U = I R 2) Emlékszel még az elektrosztatikai kísérletekre? Ha ráleheltél az üvegrúdra, az vezetővé vált! A víz akkor most vezető, vagy szigetelő? Nézz utána! A víz vezetőképessége a benne lévő ionoktól függ. A desztillált víz nagyon jó szigetelő, a sós tengervíz azonban aránylag jó vezetőnek számít. 3) Hosszukon kívül mitől függ még a fémes vezetők ellenállása? A vezetők anyagától (fajlagos ellenállásától: ρ), és keresztmetszetétől (jele:a). 4) Nézz utána, milyen képlettel számolhatjuk a vezetők ellenállását! R =(ρ l)/a

43 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika SOROS ÉS PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁS 11 1/5! BALESETVÉDELEM, BETARTANDÓ SZABÁLYOK, AJÁNLÁSOK A kísérlet során használt eszközökkel rendeltetésszerűen dolgozz! Ne használj a megengedettnél nagyobb feszültséget! Az áramkör zárása előtt a kapcsolást mutasd meg tanárodnak! A digitális multiméter használata előtt mindig gondosan állítsd be a méréshatárt, különben a műszer elromolhat. i PEDAGÓGIAI CÉL, HÁTTÉRISMERETEK A TANÁR SZÁMÁRA Soros és párhuzamos kapcsolásokkal találkozhatunk lépten-nyomon környezetünkben. Bár váltakozóáramot használunk háztartási rendszereink működéséhez, az eredő ellenállások számításához előfeltétel, hogy megtanuljuk egyenáramok mellet az eredő ellenállást megállapítani. T A SZÜKSÉGES TANULÓI ELŐZETES TUDÁS Ohm törvénye. Kapcsolási rajz ismerete, jelölések ismerete: tápegység: izzó: voltmérő: árammérő: ellenállás: kapcsoló: SZÜKSÉGES ESZKÖZÖK kapcsolótábla 3 db híd alakú dugó digitális multiméter 2 db 4,5 V-os izzó 2 db izzófoglalat tápegység 1. KÍSÉRLET:SOROS KAPCSOLÁS a) Építsd meg az ábrán látható kapcsolást az előtted lévő eszközökből! Semmiképp ne kapcsold még be a tápegységet! b) A használt izzók 4,5 V-osak! Mit jelent ez? Mi történik az izzóval, ha a tápegységet nagyobb feszültségre állítod? Az izzó tönkre megy, megszakad benne az izzószál.

44 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 1. KÍSÉRLET:SOROS KAPCSOLÁS (folytatás) c) Állítsd a tápegységet 1 V-ra, mutasd meg kapcsolásod tanárodnak, vagy egy laboránsnak! Ha jónak találja, kapcsold be a tápegységet! Változtasd a feszültséget, de csak 4 V-ig! Tapasztalat: Az izzó egyre fényesebben világít. Magyarázat: Az izzó fényessége az izzón eső feszültségtől függ. d) Az egyik híd alakú dugó helyére tegyél még egy izzót! Hagyd a feszültséget 4 V-on, és kapcsold be ismét a tápegységet! Írd le tapasztalataidat! Fogalmazz meg sejtést, mi lehet a tapasztalat oka! Tapasztalat: Fotó: Mike Ariel Mindkét izzó világít, de gyengébben, mint előzőleg. Sejtés: Soros kapcsolás estén az izzókon egyenként kevesebb feszültség esik. e) Mérd meg a feszültségeket és az áramerősségeket a kapcsolási rajz szerint! f) Mért Adataidat foglald táblázatba! Ohm törvényének segítségével számold ki az izzók ellenállását, illetve az eredő ellenállást! I 1 U 1 I 2 U 2 I 3 U 3 R 1 = R 2 = R e =

45 ajánlott korosztály: 10. évfolyam fizika /5 2. KÍSÉRLET: PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁS a) Építs párhuzamos kapcsolást! Az előtted lévő eszközöket felhasználva építs olyan áramkört, ahol a két izzó párhuzamosan van bekötve! b) Készíts kapcsolási rajzot az áramkörről! c) Mutasd meg a kapcsolást tanárodnak, állítsd 1 V-ra, és kapcsold be a tápegységet! d) Kapcsold ki a tápegységet, és vedd ki az egyik izzót az áramkörből! Mit gondolsz, mi történik bekacsolás után? Fotó: Mike Ariel Tapasztalat: A másik izzó továbbra is világítani fog, ráadásul ugyanakkora lesz a fényereje, mint két izzó esetén. Magyarázat: Párhuzamos kapcsolás esetén az ellenállásokon ugyanakkora feszültség esik, mint amekkora feszültséget lead a tápegység. e) Mit gondolsz, Ohm törvénye alapján hogyan változik az áramkörben folyó áram erőssége, ha két fogyasztót kapcsolunk párhuzamosan? Sejtés: Ohm törvényét felírva a külön a fogyasztókra, azt kapjuk, hogy az egy ágon folyó áramerősség lesz akkora, mint az előző kísérletben a főág áramerőssége. Mivel itt két ág van, gondolhatjuk, hogy az áramerősség éppen kétszer akkora lesz.